电子衍射现象的发现

电子衍射现象的发现发现的背景20世纪20年代中期是物理学发展的关键时期。波动力学已经由薛定谓在德布罗意的物质波假说的基础上建立了起来，和海森伯从不同途径创立的矩阵力学，共同形成微观体系的基本理论。这一巨大变革的实验基础自然成了人们关切的课题，这就激励了许多物理学家致力于证实粒子的波动性。人物介绍图10.1戴维森戴维森ClintonJosephDavissonSirGeorgePagetThomson1881-1958美国贝尔电话实验室实验物理学家电子衍射的发现者1937年诺贝尔物理学奖-因用晶体对电子衍射所作出的实验发图10.2G.P.汤姆生G.P.汤姆生1892-1975英国阿伯登大学实验物理学家电子衍射的发现者1937年诺贝尔物理学奖-因用晶体对电子衍射所作出的实验发现戴维森1881年10月22日出生在美国伊利诺斯州的布鲁明顿(Bloomington),早年在布鲁明顿公立学校读书。1902年中学毕业后，由于他的数学和物理成绩优异而获得芝加哥大学的奖学金,于当年9月进入芝加哥大学，在那里受教于密立根，曾一度当过密立根的助手，后来戴维森到普林斯顿(Princeton)大学工作，从事电子物理学的研究实习。1917年转入西部电气公司的工程部(后来叫贝尔电话实验室)从事研究工作，成绩卓著。1921年，他和助手康斯曼(C.H.Kunsman)在用电子束轰击银靶的实验中偶然发现，银靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击银靶的一次电子相同的能量,显然是在金属反射时发生了弹性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。戴维森抓住这一现象，持续研究了五六年。1927年找到了量子力学作为自己实验的指南，从而解释并完善了反常的电子散射曲线，证实这正是理论家梦寐以求的电子衍射现象。他的富有戏剧性的经历可以给后人提供非常有益的启示。1958年2月1日戴维森逝世于美国夏洛茨维尔，享年77岁。戴维森的研究集中在两个领域，一是热电子发射，一是二次电子发射。由于他高超的实验技术和严谨的科学态度，没有放过出乎意料的反常现象，经过反复实验和研究，终于在量子力学理论的指导下率先找到了电子衍射的实验证据。G.P.汤姆生是J.J.汤姆生的独生子，1892年5月3日出生于剑桥，在剑桥读中学，后入剑桥大学。作为三一学院的学生，他先学数学，后学物理，在父亲的指导下刚作了一年科学研究，就爆发了1914-1918年的世界战争。他加入了女王步兵团，是一名中尉军官，在法国服役了一段很短的时间。后来到法恩巴劳(Farnborough)从事飞机稳定性和空气动力学问题的研究，在整个大战期间，他在不同的机构里都是研究这方面的问题。这期间他曾随英国军事使团在美国呆了八个月。战后，他在剑桥神学院作了三年研究员和讲师，然后继续研究物理学。1919年，27岁的G.P.汤姆生出版了专著《应用空气动力学》。1928年跟他父亲合写过名著：《气体放电》。1922年，30岁的G.P.汤姆生成为阿伯登(Aberdeen)大学的自然哲学教授。1952年任伦敦大学荣誉退休教授。1975年9月10日在剑桥逝世，享年83岁。戴维逊的低速电子散射实验1921年，戴维森和助手康斯曼(C.H.Kunsman)在用电子束轰击银靶的实验中偶然发现了电子衍射的迹象。这一迹象就是镍靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。他们仿照卢瑟福a散射实验试图用原子核对电子的静电作用力解释这一曲线。显然，他们没有领悟到这是一种衍射现象。后来，戴维森花了两年多的时间继续这项研究，设计和安装了新的仪器设备，并用不同的金属材料作靶子。工作虽然没有多大进展，但却为以后的工作作了技术准备。1925年，戴维森和他的助手革末(L.H.Germer)又开始了电子束的轰击实验。一次偶然的事件使他们的工作获得了戏剧性的进展。有一天，正当革末给管子加热、去气，用于吸附残余气体分子的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统，致使处于高温的镍靶严重氧化。过去这种事情也发生过，整个管子只好报废。这次戴维森决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热、给阴极去气。经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验。在这中间，奇迹出现了。1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值。他们立即采取措施，将管子切开，看看里面发生了什么变化。经公司一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线的原因就在于原子重新排列成晶体阵列。这一结论促使戴维森和革末修改他们的实验计划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶银,并切取一特定方向来做实验。他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的银靶和管子。有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X衍射实验，拍摄了很多X衍射照片，可就是没有将X衍射和他们正从事的电子衍射联系起来。他们设计了很精巧的实验装置，银靶可沿入射束的轴线转360。，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构。1926年8月10日，英国科学促进会在牛津开会。戴维森在会议上听到著名德国物理学家玻恩(M.Born)讲到，戴维森和康斯曼从金属表面反射的实验有可能是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的证据。会议之后，戴维森与里查森找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶曲线，并且进行了热烈的讨论。在回美国的航程中，戴维森把时间用来阅读薛定谓的著作。显然他从牛津的讨论中有所启示，也许从这里可以找到解释。回到纽约后，戴维森立即和革末一起研究薛定谓的论文，但是计算结果跟实验所得结果相差甚远。于是，他们索性放弃原来的实验，投入到一项进行全面研究的计划中去。这时，他们已经完全“不自觉”的状态转到“自觉”地寻找电子波的实验证据中来了。图10.3戴维森的电子衍射实验装置原理图1926年12月，全面的研究开始了。经过2-3个月的紧张工作，取得了一系列成果，整理后发表于1927年12月“物理评论”上，论文系统地叙述了实验方法和实验结果。戴维森与革末的实验装置极其精巧（如图10.3和图10.4）。整套装置仅长5英寸、高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10-凛米汞柱。散射电子用一双层的法拉第桶（叫电子收集器）收集，送到电流计测量。收集器内外两层之间用石英绝缘，加有反向电压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收集器；收集器可沿轨道转动，使散射角在20°-90。的范围内改变。图10.6戴维森（左）手持电子衍射管，图10.5戴维森所用的电子衍射管右为他的助手革末他们做了大量的测试工作，最后综合了几十组曲线，肯定这是电子束打到镍晶体发生的衍射现象。于是，他们进一步作定量比较。然而，不同加速电压下，电子束的最大值所在的散射角，总与德布罗意公式计算的结果相差一些。他们发现，如果理论值乘0.7,与电子衍射角基本相符。文章发表不久，依卡特（Eckart）指出，这是电子在晶体中的折射率不同所致。至此，电子衍射的现象终于被人们确认。电子枪,电子枪电子枪也Ow述’图1ST低能电子束射向锲晶隹的（1111面G.P.汤姆生的高速电子散射实验G.P.汤姆生在阿伯登大学继续做他父亲一直从事的正射线的研究工作，所用实验装置主要是真空设备和电子枪。1924年德布罗意第一篇关于物质波的论文在《哲学杂志》上发表时，他就对之深为欣赏，并于1925年也向《哲学杂志》投稿，讨论德布罗意的理论。1926年8月英国科学促进会对这个问题的讨论，使他也想到正射线也可能产生衍射效应。他们做这样的实验比较容易，因为他们的正射线散射实验已经做了好几年，只要将感应圈的极性反接，雷德立即得到了边缘模糊的晕圈照片。于是，G.P.汤姆生和雷德的短讯发表于《自然》杂志1927年6月18日刊上，仅次于戴维森两个月。

感光片t国生降)图9GR汤姆生的电子衍射实验装置感光片t国生降)图9GR汤姆生的电子衍射实验装置为了说明观察到的现象正是电子衍射，而不是由于高速电子碰撞产生的X射线衍射，G.P.汤姆生用磁场将电子束偏向一方，发现整个图象平移，保留原来的花样。由此肯定是带电粒子的射线，而不是X射线。接着，G.P.汤姆生和他的同事对高速电子衍射进行了一系列的实验，进一步得到了电子衍射的衍射花样。从而比戴维森更为直接地对电子衍射作出了验证。G.P.汤姆生的电子衍射实验原理如图10.8。它的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当於10-40keV,电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质也不必用单晶材料，可以用多晶体代替。因为多晶体是由大量随机取向的微小晶体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，和X射线德拜粉末法所得衍射图形类似。图10.10G.P.汤姆生早期的电子衍射图像(样品为金箔)发现的突破点在发现电子衍射现象之前的几次尝试：(1)在路易斯•德布罗意提出物质波的论文之后不久，他曾向一位在其长兄莫理斯•德布罗意(MauricedeBroglie)实验室里工作的物理学家道威利尔(Dauvillier)建议是不是做一个实验来实现电子的衍射或干涉现象。这个实验做了，但没有取得成功。据说，当时这个实验室的同行们包括道威利尔在内，对物质波假说都半信半疑，认为不可能实现，所以道威利尔也没有下太大功夫。据他后来分析，这个实验的阴极射线太软，即电子的速度太低，致使作为靶子的云母晶体在高真空中吸收了空中游离的电荷。（2）最早对戴维森的反常曲线作出正确解释的是德国哥廷根大学玻恩物理研究所的一名年青研究生爱尔萨塞（W.Eiasser）。1923年戴维森公布的电子束散射曲线被玻恩发现后，他曾让自己另一名研究生洪德（F.Hund）试图也按卢瑟福原子结构理论去解释戴维森的结果。当洪德向大家汇报时，爱尔萨塞听到了，留下了深刻的印象。不久他有机会读到德布罗意关于物质波的论文，思想活跃的爱尔萨塞很快就把德布罗意的波动假说跟戴维森的反常曲线联系起来。心想：“会不会戴维森和康斯曼的最大最小就是衍射现象？它和X射线穿过晶体产生的现象多么相似。”于是，爱尔萨塞立即作出估算，发现数量级相符。几个星期后，他写了一篇通信给《自然科学》杂志，在文中申明，要取得定量验证，有待于他自己正在准备的进一步实验。然而，他花了三个月的时间考虑和准备实验，终因技术力量不足而放弃。（3）受爱尔萨塞那篇通信的启发，英国卡文迪什实验室有好几位研究者也想作些尝试。先是刚刚提到的那位戴蒙德宣布他在氦中进行电子散射实验得到反常曲线，正是电子的折射现象。这引起了大家的极大兴趣。后来才搞清楚，实际上并不是电子衍射，因为电子和氦的作用避免不了非弹性碰撞，所以才出现反常曲线。戴蒙德只好宣布撤消这项成果。而这个实验室的另外几位物理学家，例如布拉开特、查德威克和埃利斯（C.Ellis）都试图实现电子衍射，然而都因高真空和离子检测技术的困难而未获成功。（4）美国的布朗大学有一位名叫伐斯沃斯（H.E.Farnsworth）的物理学家，他几乎与戴维森同时也得到过电子散射实验的反常曲线。布朗大学在美国东部的诺德岛州（RhodeIsland）,邻近戴维森所在的纽约。然而伐斯沃斯没有机会去欧洲参加学术会议，更不了解物质波假说的提出和量子理论的发展，也就失去了发现。我们从电子衍射的发现史可以得到许多启示，其中最重要的一条也许是：有先进的实验技术固然重要，但缺乏理论指导往往会陷于盲目；而理论上的设想，如果没有实验技术的支持，也难以实现；只有密切注视理论的新动向、又充分掌握先进的实验技术，才有可能登上科学的高峰。这一点在当代的物理学研究中也许有